Đồ Án Phân tích và thiết kế bộ giao thoa mach-zehnder cho phân cực plasma bề mặt

Đây là đồ án thiết bộ mạch giao thoa zehnder cho phân cực plasma bề mặt . Chi tiết các bạn có thể liên hệ với mình và mua tài liệu sau.
Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển bùng nổ của khoa học và công nghệ các thiết bị điện tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi, các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới các công nghệ mới để tối ưu và thu nhỏ kích thước của các thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người. Vì thế những cấu trúc nhỏ hơn một nửa bước sóng (subwavelength) ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển, các khe subwavelength trong các tấm film kim loại mỏng (như vàng, bạc, đồng ) làm cho sự giam hãm ánh sang vượt qua giới hạn của sự nhiễu xạ trong quang học cơ bản. Điều này có vẻ vô lý vì theo lý thuyết nhiễu xạ hiệu suất năng lượng truyền qua khe suy giảm tỷ lệ với , trong đó là đường kính khe, còn là bước sóng. Như vậy phải có một hiệu ứng đặc biệt nào đó đã xảy ra trên bề mặt kim loại khi nó bị kích thích bởi sóng điện từ ở vùng tần số ánh sáng. Gần đây, người ta đã phát hiện và chứng minh được sự tồn tại của sóng phân cực plasmon (SPPs - Surface Plasmon Polaritons) trên bề mặt kim loại-điện môi, chính hiệu ứng này làm cho ánh sáng có thể truyền ở kích thước subwavelength.
Phân cực plasmon bề mặt (SPPs) là sóng điện từ truyền lan dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa kim loai và điện môi, nó được kích thích bởi chùm bức xạ điện từ có bước sóng trong vùng nhìn thấy và hông ngoại chiếu lên bề mặt tiếp xúc kim loại – điện môi với một số điều kiện nhất định. Mặc dù SPPs là sóng lan truyền suy hao rất nhanh theo hàm mũ với độ dài truyền dẫn khoảng vài , nhưng khoảng đó cũng đủ xa để truyền trong các mạch quang học tích hợp kích thướng nano.
Hiệu ứng phân cực plasmon bề mặt được ứng dụng trong các mạch quang tích hợp (IOCs- Integrated Optical Circuits), hứa hẹn tạo ra một thế hệ các chíp máy tính mới hoạt động với tốc độ siêu nhanh, trên cơ sơ đó các máy tính quang học của tương lai sẽ ra đời. Trong máy tính quang học, các bus dữ liệu tín hiệu điện sẽ được thay thế bởi các bus dữ liệu tín hiệu quang, tuy nhiên các linh kiện tử chỉ có thể làm việc với tín hiệu điện, do vậy để máy tính có thể làm việc với bus dữ liệu quang cần có một linh kiện điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Vì vậy nhiêm vụ của đồ án này là phân tích và thiết kế linh kiện kiện quang có khả năng điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang với kích thước nano ứng dụng hiệu ứng phân cực bề mặt.
Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới người đã hướng dẫn, chỉ dạy tận tình và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đồ án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, thầy cô và bạn bè trong . - những người đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đồ án.
Tóm tắt đồ án
Trong đồ án này, một cấu trúc mới của bộ ghép định hướng và bộ giao thoa Mach-Zehnder được giới thiệu trên nền tảng đường truyền kim loại-điện môi-kim loại. Đồng thời khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra của chúng theo các thông số kỹ thuật bằng phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian. Bộ giao thoa Mach-Zehnder với một nhánh ống dẫn sóng được điền đầy bởi vật liệu hiệu ứng Pockels được đưa ra để điều khiển ánh sáng theo điện trường ngoài. Kết quả cho thấy rằng: sử dụng vật liệu có hiệu ứng quang điện cao cho phép làm giảm kích thước của thiết bị rất nhiều.
Abstract
In this thesis, we present a novel directional coupler and Mach-Zehnder interferometer based on metal-dielectric-metal plasmonic waveguide. Dependence of output field intensity of these devices on their parameters is investigated by numerical simulation method using Finite-Difference Time-Domain method (FDTD). The Mach-Zehnder interferometer, with one branch arm filled with Pockels effect material, is proposed to control light by external electromagnetic field. It is found that by using the material with high electro-optic coefficient, size of device can be reduced significantly.
Mục lục
Lời nói đầu 3
Tóm tắt đồ án . 5
Abstract . 5
Mục lục 6
Danh mục hình vẽ 8
Thuật ngữ viết tắt 10
Giới thiệu đề tài . 11
Chương 1. Giới thiệu chung 13
1.1 Giới thiệu sự ra đời mạch quang tích hợp kích thước nano IOC . 13
1.2 Động lực phát triển . 15
1.3 Mục tiêu nghiên cứu và kết quả mong muốn . 18
Chương 2. Cơ sở lý thuyết của bài toán 19
2.1 Lý thuyết trường điện từ 19
2.1.1 Hệ phương trình Maxwell 19
2.1.2 Các phương trình thế 20
2.1.2.1 Trường phụ thuộc thời gian biến đổi nhanh 20
2.1.2.2 Trường cân bằng 22
2.1.2.3 Trường tĩnh và gần tĩnh 23
2.1.3 Các điều kiện biên . 24
2.2 Lý thuyết về phân cực plasmon bề mặt . 25
2.2.1 Giới thiệu . 25
2.2.2 SPPs trong mô hình mặt tiếp xúc đơn, phẳng 28
2.2.3 SPPs trong mô hình nhiều lớp (multylayer) 33
2.3 Lý thuyết ghép mode và hiệu ứng Pockels . 36
2.3.1 Lý thuyết gép mode sóng 36
2.3.2 Hệu ứng Pockels của BaTiO[SUB]3[/SUB] . 40
2.4 Phương pháp FDTD 43
2.4.1 Những ưu điểm của phưong pháp FDTD 44
2.4.2 Thuật toán tính toán của phương pháp FDTD 49
Chương 3. Phân tích và thiết kế bộ giao thoa Mach-Zehder 51
3.1 Giới thiệu . 51
3.2 Phân tích thiết kế và kết quả tính toán 52
3.2.1 Mô hình ống dẫn sóng kim loại-điện môi-kim loại (MDM) . 52
3.2.2 Nghiên cứu và thiết kế bộ ghép định hướng . 55
3.2.3 Nghiên cứu và thiết kế bộ giao thoa Mach-zehnder . 64
Kết luận chung . 71
Tài liệu tham khảo . 72



Tài liệu tham khảo
1. S. A. Maier, “Plasmonics: Fundamentals and Applications” (Springer Science 2007) .
2. G. Veronis, S. Fan, “Mode of subwavelength plasmonic slot waveguides”, J. Lightwave technol. 25, 2511-2521 (2007).
3. D. F. P. Pile, T. Ogawa, D. K. Gramotnev, Y. Matsuzaki, K. C. Vernon, K. Yamaguchi, T. Okamoto, M. Haraguchi, M. Fukui, “Two-dimensionally localized modes of a nanoscale gap plasmon waveguide”, Appl. Phys. Lett. 87 (26), 261114 (2005).
4. Arthur R. Davoyan, Ilya V. Shadrivov, Sergey I. Bozhevolnyi, Yuri S. Kivshara, “Backward and forward modes guided by metal-dielectric-metal plasmonic waveguides”, Journal of Nanophotonics. 4, 043509 (2010)
5. L. Liu, Z. Han, S. He, “Novel surface plasmon waveguide for high integration”, Opt. Express 13, 6645-6650 (2005).
6. Z. Chen, T. Holmgaard, S. I. Bozhevolnyi, A. V. Krasavin, A. V. Zayats, L. Markey, A. Dereux, “Wavelength-selective directional coupling with dielectric-loaded plasmonic waveguides”, Opt. Lett. 34 (3), 310-312 (2009).
7. G. Veronis, S. Fan, “Theoretical investigation of compact couplers between dielectric slab waveguides and two-dimension metal-dielectric-metal plasmonic waveguides”, Opt. Express 15, 1211-1221 (2007).
8. G. Veronis, Z. Yu, S. E. Kocaba, D. A. B. Miller, M. L. Brongersma, S. Fan, “Metal-dielectric-metal plasmonic waveguide devices for manipulating light at the nanoscale”, CHINESE OPTICS LETTERS. 7(4) (2009).
9. G. Veronis, S. Fan, “Crosstalk between three-dimensional plasmonic slot waveguides”, Opt. Express 16(3), 2129–2140 (2008).
10. G. Veronis, S. Fan, “Bends and Splitters in metal-dielectric-metal subwavelength plasmonic waveguide”, Apl. Phys. Lett.87, 131102 (2007).
11. ZHan, A. Y. Elezzabi, V. Van, “Wideband Y-splitter and aperture-assisted coupler based on sub-diffraction confined plasmonic slot waveguides”, Appl. Phys. Lett. 96(13), 131106 (2010).
12. H. Gao, H. Shi, C. Wang, C. Du, X. Luo, Q. Deng, Y. Lv, X. Lin, and H. Yao, “Surface plasmon polariton propagation and combination in Y-shaped metallic channel”, Opt. Express 13, 10795-10800 (2005).
13. D.K. Gramotnev, K.C. Vernon, D.F.P. Pi le, “Directional coupler using gap plasmon waveguides”, Appl. Phys. B, 93, 99–106 (2008).
14. J. R. Salgueiro, Y. Kivshar, “Nonlinear Plasmonic directional coupler”, Appl. Phy. Lett. 97, 081106 (2010).
15. R. A. Washsheh, Z. Lu, A. G. Abushagur, “Nanoplasmonic couplers and splitters”, Opt. Express 17, 19033–19040 (2009).
16. ZHan. Liu, E. Forsberg, “Ultra-compact directional couplers and Mach-Zehnder interferometers employing surface Plasmon polaritons”, Opt. Commun. 259(2), 690–695 (2006).
17. R. A. Wahsheh, Z. Lu, and M. A. G. Abushagur, “Nanoplasmonic Directional Couplers and Mach-Zehnder Inerferometers”, Opt. Commun. 282(23), 4622–4626 (2009).
18. M. Pu, N. Yao, C. Hu, X. Xin, Z. Zhao, C. Wang, X. Luo, “Directional coupler and nonlinear Mach-Zehnder interferometer based on metal-insulator-metal plasmonic waveguide”, Opt. Express 18, 21030–21037 (2010).
19. C. L. Chen, “Foundations for Guided-Wave Optics”, (Wiley, 2006), chap.6.
20. Amnon Yariv, “Coupled-Mode Theory for Guided-Wave Optics”, IEEE, Journal of Quantum Electronics, QE-9(9), 919 (1973).
21. W. Huang, J. Mu, “Complex coupled-mode theory for optical waveguides”, Opt. Express 17, 19134–19152 (2009).
22. Y. Avrahami, “BaTiO3 based materials for Piezoelectric and Electro-Optic Applications”, (PhD. thesis, Massachusetts, Institute of Technology, 2003).
23. C. Mueller, “The Electro-Optic Effect”, (Readign Notes, University of Florida, 2010).
24. BaTiO[SUB]3[/SUB], Foctek Photonics, Inc. “Ce:BaTiO3”.